水果品質分選機的研發

王文超 葛鳳麗 徐文凱 趙魯海 李 娟

(1. 青島農業大學機電工程學院，山東 青島 266109；2. 青島農業大學經濟管理學院，山東 青島 266109；3. 山東省煙臺蘋果大數據有限公司，山東 煙臺 264003)

中國市場上銷售的水果大多依靠機械配合人工實現分級。然而人工分級具有勞動量大、效率低、主觀性強且分選精度不穩定的缺點。目前的分選裝置主要是根據水果的大小和重量進行分選，分選方式主要分為機械式和電子式[1]。機械式分選機主要通過調整不同間隙來實現水果的分選，因此對于非球形水果，極易出現誤分現象。同時，機械式水果分選機只能區分水果的大小，并不能區分水果品質差異，是一種相對粗糙的分選裝置。電子式分選機則利用壓力傳感器，獲取水果的重量信息，并對其進行判斷，完成水果大小和重量的分類[2-4]。與機械式分選機相比，電子式分選機更加快速準確，已經能夠滿足對水果大小和重量的分選需求。

然而，除了重量和大小外，水果的品質指標還包括顏色、光澤、表面損傷等外部品質指標和糖度、酸度、可溶性固形物、內部缺陷、病蟲害等內部品質指標[5-7]。目前這些指標研究多停留在理論上[5]或者實驗室試驗階段[6-7]，而實用化的產品較少。隨著人工智能的廣泛應用[8-11]，人工智能也被應用到農產品品質分級[12-16]等領域，如利用人工智能對水果大小[17-18]、缺陷[19-20]等方面進行檢測和分選。然而，目前國內自主研發的水果品質分選機主要是根據水果的重量進行分選，能根據損傷、糖度等內部品質進行分選的分選機基本靠國外進口或者是與國外廠商進行合作的產品。而且，目前的分選裝置無水果清洗環節，同時在分選時常會出現掉果現象。試驗擬研發一種新型帶預處理系統結構的水果品質分選機，旨在實現水果品質分級的同時解決水果清洗問題和掉果問題，為水果生產過程全自動化提供依據。

1 機械結構設計

水果品質分選機由機械部分和電氣控制部分組成。機械結構部分由預處理機械部分和分選機械部分組成。

1.1 預處理機械部分

預處理裝置總體結構及局部圖如圖1所示，分為4個模塊：水洗模塊、上果模塊、風干擦拭模塊和輸送模塊，其中，水洗模塊的作用是對水果進行初步清洗。為節約縱向占地面積和提高單次處理水果數目，水槽設計成U型。在U型水槽的末端和深水槽區設置管道，利用離心泵帶動水流循環，保證水果逐步移向上果模塊。水果在移動至上果模塊前，經毛刷輥4完成表面清洗工作。

1. 減速齒輪箱 2. 上果鏈電機 3. 鉸鏈 4. 清洗毛刷輥 5. 風扇 6. 擦拭毛刷輥 7. 雜物槽 8. 梯形口 9. U型槽 10. 輸送帶 a. 水洗模塊 b. 上果模塊 c. 風干擦拭模塊 d. 輸送模塊

上果模塊由減速齒輪箱1、上果鏈電機2以及帶等間隔鋼管的鉸鏈3組成，該部分的作用是將水洗模塊中的水果輸送到后續模塊。其中，鋼管等間隔排列，作用是固定水果且進行一定程度的瀝干。風干擦拭模塊的頂部安裝兩臺0.73 kW的風扇5對水果表面進行風干。為在對水果表面進行進一步清潔的同時避免水果因擠壓而造成損傷，設置了一排傾斜10°向下的擦拭毛刷輥6，擦拭毛刷輥沿水果運輸方向順勢針旋轉，使水果在其旋轉及自身重力作用下勻速移向皮帶輸送模塊。在擦拭毛刷輥排下設置雜物槽7，用來盛放由毛刷輥清潔下來的水果表面雜物。為達成水果單列排布的目的，同時避免在該過程中對水果造成損傷，在風干擦拭模塊與皮帶輸送模塊的連接處設計一種帶U型槽9的梯形口8，利用輸送帶10和風干擦拭模塊之間的速度差，將多列水果從U型槽處傳輸到輸送帶上使其變為單列。同時在傳送帶兩端設置兩塊斜擋板。這些結構避免了多個水果同時送上傳送帶的現象，進一步避免了掉果現象的發生。

1.2 分選機械部分

分選機械部分結構如圖2所示，該部分是完成水果品質檢測及分選工作。按照功能和分選流程順序，分選部分可以分為3個區域：上果區、品質檢測區和分果區。

a. 上果區 b. 品質檢測區 c. 分果區 d. 果盤計數模塊

該部分使用果盤作為運輸鏈輸送水果，并在上果區將已清洗、單列化的水果平穩地送入果盤。輸送鏈上設有暗箱，按照水果的分選需求在暗箱中設置對應環形光源、高精度相機和近紅外糖度檢測裝置，利用計算機視覺和近紅外光譜進行水果品質圖像的采集工作。在暗箱前方4個果盤距離的位置處，設置果盤計數模塊，模塊由激光發射器和光電傳感器構成，在兩者之間的導軌處設有小孔。分果區主要由分果槽和電磁彈出裝置構成，利用電磁彈出裝置將水果從運輸鏈上分選至分選槽中，實現水果的分選。

2 電氣控制系統設計

2.1 系統組成及工作原理

電氣控制系統組成結構如圖3所示，主要包括上位機、下位機、品質檢測、計數、顯示、復位和驅動7個模塊。

圖3 電氣控制系統組成結構圖

系統工作原理：系統經初始化復位后，通過品質檢測模塊獲取水果信息，將這些信息送給上位機進行處理，給出水果的品質分類，并將分類結果送給下位機。下位機根據接收的上位機信息，利用計數模塊將水果分等級計數并獲取位置信息，經由下位機控制器控制電磁驅動模塊實現不同品質的水果分選，并將水果輸送到對應的儲存區域。下位機還負責對分選結果進行顯示，以及對分選的參數進行設置。

2.2 硬件控制系統設計

選用STC8A8K64S4A12單片機作為下位機控制器，選用Jetson Xavier NX工控機作為上位機控制器。品質檢測模塊獲取的水果品質圖像經交換機發送到上位機上，在上位機上進行人工智能識別后，通過RS232通訊模塊連接下位機，實現上位機和下位機之間的數據通訊，通訊模塊硬件電路圖如圖4所示。顯示模塊選用迪文DGUS觸摸顯示屏，主要負責分選機運行狀態的監控和分選結果的顯示。觸摸屏中設有虛擬按鍵，可以完成水果品質分類區間的設置工作。

圖4 RS232通訊模塊硬件電路圖

分選驅動電路如圖5所示，K1連接下位機，當K1獲高電平信號時，電磁鐵電路導通。下位機共設有K1～K16引腳連接分選驅動電路，可完成16個等級的水果品質分選任務。

圖5 分選驅動電路圖

水果傳感計數電路圖如圖6所示，工作狀態下，LED3燈常亮，根據果盤經過小孔時導致光電傳感器電平的變化實現對果盤的計數功能。

圖6 傳感計數電路圖

2.3 軟件控制系統設計

電氣控制系統主程序流程如圖7所示。該部分僅對水果分選、水果品質分析和顯示3個主要模塊進行介紹。

圖7 主程序流程圖

(1) 顯示模塊：該模塊流程圖如圖8所示，在觸摸屏上，除顯示分選結果的界面外，還設有2個按鍵及數字鍵盤。“清零”鍵按下后將對所有統計數據清零，“調試”鍵按下后系統進入區間設置模式，修改對應分選區域的分類區間范圍，實現水果品質分類區間的設置工作。

圖8 顯示模塊流程圖

(2) 水果品質分析模塊：該模塊流程圖如圖9所示，先對人工采集的水果品質圖像進行人工智能模型訓練，獲取人工智能模型，并保存到工控機中。利用品質檢測模塊獲取水果品質圖像，并實時地將圖像傳輸到工控機，通過已訓練的模型完成對水果品質的分類，并將結果返回到下位機單片機中并對不同品質水果計數，由下位機控制執行機構將不同類別的水果送至相應的儲存區。

圖9 水果品質分析流程圖

(3) 分選控制模塊：該模塊流程圖如圖10所示。根據分選需求設置各分選區間設定值，在單片機中將水果品質信息m依次與設定值a0、a1、a2、…、an(n≤15)進行比較，如果判定為是，將控制對應的繼電器令電磁驅動電路導通，使對應的電磁彈出裝置彈起，令水果在對應位置彈出。

圖10 分選控制流程圖

3 實驗驗證

為了驗證分選機的有效性，選用11 500個蘋果進行試驗，其中包括有損傷蘋果500個，無損傷健康蘋果11 000個。分選用時96 min，所有損傷蘋果均被分選到了壞果區中，但有4個無損傷蘋果被誤選到壞果區中。試驗結果表明：蘋果的外觀損傷和糖度分選工作效率為7 200個/h；外觀損傷分選的準確率達99%；糖度檢測分選的分辨率為0.1%。分選機在分選過程中未造成蘋果損傷且未發生掉果現象。

4 結論

將工控機作為上位機，單片機作為下位機，研發了一種水果品質分選機。結果表明，該分選機能實現對水果的損傷、糖度等內外部品質的檢測要求，蘋果的外觀損傷和糖度分選工作效率為7 200個/h；外觀損傷分選的準確率達99%；糖度檢測分選的分辨率為0.1%，且具有水果清洗功能，在分選后可直接包裝銷售。該水果品質分選機的研究尚處于起步階段，目前只達成了水果損傷和糖度的品質檢測，后續將進行其他品質如成熟度、病蟲害等的檢測與分選研究，進一步擴大檢測對象以增強其適用性。